為什麼說以太坊可能會重回 PoW 時代？聊聊 ZK 硬體加速挖礦的新型 PoW 模式
作者：岳小魚
封面： Photo by Shubham Dhage on Unsplash
引言：
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以太坊正在 ZK 化，而 ZK 證明器需要硬體加速，像比特幣挖礦一樣有硬體依賴，那麼 ZK 挖礦就可能變成新型的 PoW。
以太坊的經濟模型最終可能會變成 PoS 和 PoW 並存，形成一種新的"混合共識"模式。
接下來，我們就具體看下上述設想的底層邏輯。
1. 以太坊正在 ZK 化
ZK（零知識證明）的基本原則是：一方可以向另一方證明一個聲明是真實的，而不需要提供任何其他資訊。
這是一項非常有前景的技術。
ZK 技術在區塊鏈領域中目前主要應用於擴容。
V 神一直在努力推 ZK 技術，由於 V 神的意願和傾向，以太坊基金會也投資了各類 ZK 計畫。
但 ZK 專案這種基建層的週期比較長，所以我們一般使用者目前所能直接感知到的就是各種 ZK Rollup，也就是 ZK 系的以太坊 Layer2 解。
典型代表有 zkSync、Starknet、Polygon zkEVM、Scroll、Linea 等。
這些都是在以太坊的執行層融合 ZK 技術。
而以太坊自身也在逐漸 ZK 化。
（1）共識層 ZK 化（如 Beam Chain 提案）：透過將共識操作的驗證過程 ZK 化，可以簡化和加速共識過程。
（2）資料層 ZK 化：只儲存證明而不儲存所有交易數據，可以顯著減少鏈上儲存需求。
透過這些方式，以太坊能夠在保持其去中心化和安全性的同時，顯著提升其網路的效能，包括交易處理速度、成本、以及隱私保護。
ZK 技術的引入被視為以太坊生態系統長期擴展策略的一部分，可以應對更高的用戶需求和應用複雜性。
2、ZK 為什麼需要結合硬體？
上述提到了 ZK 諸多優勢，但 ZK 目前面臨的最大阻礙是產生 ZKP（Zero-Knowledge Proofs）的效能問題。
ZK 的運作機制是透過讓驗證者將多個交易合併到一個單一的、簡潔的證明中，然後再將交易提交到主網，最終實現了主網的擴容。
但 ZK 也有局限性，因為產生證明的過程在時間和精力方面都是非常耗費資源的。
由於需要許多複雜的數學運算，例如冪運算、倒數運算和雙線性配對計算，證明的創建通常會減慢速度。
單純靠軟體優化無法進一步提升性能，因此需要結合硬件，透過使用專用硬體進行加速，可以使得證明生成速度從原來小時級別提升到秒級別，這將是一個巨大的提升。
因此，ZK 有硬體依賴，需要專用晶片。
隨著 ZKP 技術在隱私運算、區塊鏈擴展等領域的應用逐漸增多，ZKP 的產生速度和效率成為瓶頸，市場對硬體的需求也日益強烈。
3、PoS 和 ZK 挖礦怎麼結合呢？
如果採用 ZK 硬體加速，進而可以實現硬體挖礦，這就出現了一種新的經濟模型。
什麼是 ZK 挖礦呢？
傳統的 PoW（工作量證明）挖礦依賴於解決複雜的數學問題，而 ZK 硬體挖礦則是快速產生 ZKP 的能力。
類似於 PoW 挖礦，參與者可以競爭產生 ZKP 的速度和效率，首先產生有效證明的參與者獲得獎勵。
PoS 和 ZK 具體要怎麼結合呢？
在 PoS 系統中，驗證者（即質押者）負責驗證交易並提出新區塊。 ZK 證明可以用來證明某個區塊或一系列交易的正確性，增強安全性和降低驗證成本。
驗證者在執行其 PoS 職責的同時，產生 ZKP 作為對其工作的額外證明。成功產生並提交有效 ZKP 的驗證者可以在現有的區塊獎勵之外獲得額外的獎勵。
這可以是 ETH 或網路內部的某種形式的獎勵（如特定代幣或 Gas 費用的一部分）。
主網區塊獎勵可以分為兩部分，形成一種分層獎勵系統：其中一部分獎勵用於傳統的 PoS 驗證，另一部分根據節點在 ZK 證明產生中的貢獻分配。
由此可以看到，ZK 可以作為 PoS 驗證的增強，ZK 挖礦則可以作為 PoS 質押的擴展。
質押者除了質押 ETH 以獲得 PoS 獎勵外，還可以透過參與 ZK 相關的工作來獲得額外的獎勵。例如，質押者可以執行 ZK 證明產生節點，提供運算資源以支援 ZK 技術的應用。
但這裡只是提出了一個可能性，如果要將以太坊現有的 PoS 機制整合 ZK 技術，需要對目前 PoS 協定進行修改或擴展，以容納 ZK 證明的角色。
而且必須設計一個公平的激勵模型，確保既不削弱 PoS 的激勵效果，又能促進 ZK 技術的應用。
4.ZK 挖礦會引進新的正外部性嗎？
以太坊從 PoW 轉 PoS 後，最被詬病的一點就是沒有外部性引入這個「封閉」的經濟系統了。
PoW 是具有外部性的，需要能源、硬件，從而將區塊鏈的經濟活動擴展到了區塊鏈外部，影響了現實世界。
PoS 系統中，驗證區塊的資格主要基於持有的代幣數量（即質押），經濟活動更集中在質押和網路內交易，而不是像 PoW 那樣涉及到廣泛的礦機生產、電力市場等外部產業。
ZK 加速硬體和 PoW 礦機一樣，需要專用硬件，但是「無效耗電」問題會被降低，因為 PoW 是解決數學題來競爭出塊權，而 ZK 挖礦則是產生有效的證明來驗證交易，無需不同的節點做重複性的無效勞動。
5、AI 與 ZK 共享算力
更進一步，會出現 ZK 算力市場，甚至可以實現 AI 算力和 ZK 算力共享。
市面上可能會出現提供綜合性運算服務一體化平台，支援 AI 和 ZK 任務的運算需求。
使用者可以在同一平台上處理需要高效能運算的 AI 任務和需要 ZK 證明產生的任務。
協議層面也可以進行整合：創建智能合約或協議，使得 AI 算力提供者也可以參與到 ZK 證明的生成中，或者利用 ZK 技術來驗證 AI 計算的結果。
算力也可以進行動態分配：根據任務需求動態分配算力資源。例如，當 AI 任務需求較低時，這些資源可以用於產生 ZK 證明，反之亦然。
6、ZK 硬體加速的頭部玩家
目前 ZK 硬體加速賽道的頭部工程是 Cysic。
Cysic 專注於設計和生產專用積體電路（ASIC）、現場可程式閘陣列（FPGA）以及 GPU 加速解決方案，以加速 ZKP 的產生流程。
Cysic 設計了兩款硬體產品：
（1）ZK Air: 輕巧的 ZK 設備，尺寸接近筆電電源轉接器，運算能力相當於 10 張 RTX 4090 GPU，適合個人使用者。
（2）ZK Pro: 更強大的設備，效能相當於 50 張 RTX 4090 GPU，設計用於大型 ZK 專案如 zkRollup 和 zkML。
除了硬體之外，Cysic 還提供了一套 CUDA 函式庫，支援多種 ZKP 系統如 Plonky2, Gnark, Halo2, RapidSnark 等。這些函式庫能夠大幅提升效能，相比開源框架至少提高 50%。
同時，Cysic 有一個生態系統，Cysic Network，主要是為了整合和管理社區運算資源，連結 ZK 專案方、運算力提供者和社群驗證者，形成一個可靠的運算力網路。
簡單來說，Cysic Network 就是一個 ZK 礦池與 SaaS 平台。
目前，Cysic 已經與多個 zkRollup 專案合作，展示了其產品的實用性和市場需求。
除了 Cysic，還有一個非常有特色的專案要提一下：Scroll
沒有想到，「眾叛親離」、「臭名昭著」的 Scroll 在 ZK 硬體加速方面是做得非常靠前。
和其他 ZK Rollup 專案對比，Scroll 可以說是另闢蹊徑，從硬體入手，透過開發專用的 ZK 加速硬體 GUP，形成了自己的競爭壁壘，這也是 Scroll 最大的差異化競爭優勢。
單看這一點，Scroll 確實是挺硬核的一個專案。
但 Scroll 和 Cysic 定位不一樣：對於 Scroll，硬體加速是其 Layer2 整體解決方案的一部分；而 Cysic 則致力於為整個 ZKP 生態系統提供硬體加速服務。
7. 總結
最後，總結一下本文的內容：
（1）以太坊正在 ZK 化：以太坊透過引入零知識證明（ZK）技術來實現擴容和提高隱私性，已經在共識層和資料層應用了 ZK 技術，以提升網路效能。
（2）ZK 需要硬體加速：由於產生零知識證明耗費大量運算資源，硬體加速（如 ASIC、FPGA）被視為提高效率的必要手段。
（3）PoS 與 ZK 挖礦的結合：提出了一個新的經濟模型，即將 ZK 挖礦作為 PoS 的擴展，質押者透過提供 ZK 運算能力獲得額外獎勵，形成 PoS 和 PoW 並存的模式。
（4）ZK 挖礦引入新的正外部性：與 PoW 相比，ZK 挖礦可能減少無效能耗，但仍需要專用硬件，帶來對硬體生產和技術創新的激勵。
（5）AI 與 ZK 算力共享：AI 和 ZK 計算任務可能共享硬體資源，形成一個綜合計算服務市場。
（6）市場領先項目：Cysic 和 Scroll 是 ZK 硬體加速領域的領先者，前者專注於為 ZK 生態提供硬件，後者將其作為 Layer2 解決方案的一部分。
最後，ZK 硬體加速賽道已經初現端倪，隨著以太坊的進一步 ZK 化，ZK 硬體加速將變得更加重要，甚至會反向改變以太坊的經濟模型，值得我們對這個賽道持續關注。
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